本文是一篇土木工程论文，本文以钢渣为主要研究对象，脱硫石膏、矿渣为辅助材料制备预拌固化剂对粘土进行固化研究，并探究了铁尾矿掺量、水料比对基坑回填料性能的影响，最终制备出满足要求的抗压强度、坍落度和收缩性等性能要求。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
水泥制造的二氧化碳排放总量约占全球二氧化碳排放量的 8%[1]，由于中国水泥消费量大，水泥行业的二氧化碳排放量占工业二氧化碳排放量的 15%[2]。为响应国家不断倡导的环境保护政策，逐步降低水泥生产，减少其使用量，大量研究人员不断探索使用经过处理后的固体废弃物作为矿物掺合料替代水泥应用在不同的建筑行业，并取得显著的成就。矿物掺合料是绿色混凝土的重要组成部分，科学合理的使用矿物掺合料不仅可以减低混凝土中的水泥用量，也可以改善混凝土的某些性能。大部分矿物掺合料来源于工业固体废弃物，既是对工业固体废弃物资源的高效利用，又大幅度减轻了工业固废废弃物对环境的污染。
随着社会的发展和进步，越来越多的人开始关注环境污染。钢铁工业是其中污染较为严重的一个行业，为解决其污染问题，大量研究学者进行了试验探索[3]。长期以来，钢渣和尾矿等工业固体废弃物的处理一直受到全世界的关注，尤其是在绿色建材方面，这种处理具有显著的经济效益并符合可持续发展。炼钢和采矿业每年排放数亿吨副产品（主要是钢渣和尾矿），导致土地占用和环境问题[4,5]。尾矿胶结充填（CTB）可将尾矿胶结并回填到地下采空区中，该项技术在采矿实践中得到广泛应用，能够实现零废物产生[6]。
以北上广深为代表的一线城市地价昂贵，建设单位为达到最大效益、提供更多的停车位、满足人防要求，普遍将地下室面积最大化，常常沿用地红线预留支护桩位置、少量肥槽位置后，全部作为地下结构开发。目前回填土多以土方作业队为施工主体，土源、施工质量、施工安全均不可控，不符合精益建造的要求。尽管国内外对钢铁冶金废弃物制备胶结充填料应用于矿井充填的研究成果越来越多，但利用全固废制备预拌固化剂应用于基坑回填的研究工作还未见报道。因此，为响应环保号召，减少水泥用量，降低成本，选择全固废预拌固化剂制备基坑回填料的研究已经迫切需求。传统的工业固体废弃物的应用方向主要集中在矿井充填、制备建筑材料、有价金属提取和农田复垦四个方向。
1.2 工业固体废弃物的研究现状
工业固体废弃物主要是指在常规的工业生产过程中经过各种工艺手段挑选出可利用的物质，所遗留下的无用的废弃物，如采矿过程中废弃的矿石、经过燃烧锻造后剩余的废渣、各种原料的尾矿等。工业固体废弃物和城市建设废弃物数量迅速增加，不但侵占了农田，使环境受到严重污染，还影响了人们的健康[7]。
近几年的统计结果显示，工业生产中剩余的工业固体废弃物有逐年增加的趋势，特别是近年来，工业固体废弃物的产量以 10%的惊人速度增长。但其利用率只有 55%左右，剩余的由于得不到高效应用，大量堆积在环境中，目前总量超过 100亿吨。这些工业固体废弃物的大量堆积，不可避免使环境受到破坏[8]。
工业固体废弃物除小部分可以研究利用外，其他工业固体废弃物均以消极方式存放而大量堆积成山，并且部分危险工业固体废弃物还须进一步加工处理。随着国家对环境保护和污染控制的日益重视，将工业固体废弃物进行研究处理并有效利用已经迫在眉睫[9]。
目前工业固体废弃物的处理方法主要有以下几种：（1）矿井采空区的充填。许多中小城市在填埋空矿业上合理利用工业固体废弃物，一方面可以防止地面沉降，另一方面有助于改善我们的生态环境。（2）绿色环保材料的生产。大多数工业固体废弃物经过处理后具有活性，再经过压碎或被水浸泡后，通常可被直接用作胶凝材料、墙体材料以及作为矿物掺合料制备高质量、高性能混凝土等[10]。
综上所述，我国的工业固体废弃物产量巨大，由于得不到有效应用，长期堆积使土地受到污染。随着社会的可持续发展，国家环保政策的不断提出，如何将其有效应用成为当下十分关键的任务。将这些固体废弃物作为矿物掺合料广泛使用在建筑材料行业，废物再利用，经济环保，成为大量学者不断探索的新方向。
第 2 章 研究方法与技术路线
2.1 研究思路与方法
本课题利用钢铁冶金废弃物研发一种新型的建筑基坑回填料，并应用到城市建筑、市政工程的肥槽回填中，同时减少现有推广技术中水泥的使用，利用钢铁冶金废弃物（矿渣、钢渣、脱硫石膏）制备全固废预拌固化剂，完全替代水泥，并研究掺入铁尾矿对基坑回填料性能的性能影响，进而减轻矿区环保压力，形成新的固废综合利用的产业链。研究方案主要为：
（1）对多种钢铁冶金废弃物的矿物学特性分析
由于物料直径大小对制作试块的强度、流动性等性能会产生影响，因此采用筛分法对粘土、铁尾矿等物质的粒径进行分析，并确定其粒径分布；通过 XRD 分析可以确定各原料中含有的矿物成分，使用 XRF 分析可以确定各原料含有的化学成分和含量，使用 SEM 分析各物料的微观形貌。
（2）钢渣活性研究分析
通过粒度分析粉磨后钢渣的粒度分布，并分析粉磨后钢渣的微观图谱；采用勃氏比表面积测定仪测定钢渣粉磨不同时间的比表面积；最后进行活性实验，选择合理的粉磨时间。
（3）预拌固化剂的制备
本实验以钢铁冶金废弃物 100%替代水泥预拌固化剂制备基坑回填料为目标。通过正交试验研究不同影响因素下钢铁冶金废弃物净浆的制备，并通过净浆的抗压强度测定，获得预拌固化剂中各原料的最佳掺量比和水灰比。
（4）预拌固化剂水化机理的研究分析
结合 XRD 和 SEM 测试方法对反应产物的种类进行判定，并对水化机理进行研究，揭示预拌固化剂制备基坑回填料水化产物的种类和形成过程。
2.2 试验原料
（1）钢渣
本研究所用钢渣来源于唐山市地区，表面呈灰色，内部为黑色。颗粒大小不一，最大粒径可达 50mm，如下图 2-2 所示，具体特性和活化研究第三章分析更为详细。
近年来，搅拌球磨机由于其操作简单、结构简单、研磨速度快、能耗低等优点，越来越多地被用于研磨微细颗粒。钢渣的特点是游离钙镁氧化物丰富，胶凝性能低，重金属含量高。钢渣在填埋场的处置不仅浪费了宝贵的资源，而且对环境造成了严重的污染。然而，直接使用未经处理的钢渣对钢渣衍生复合材料的机械性能和耐久性构成了很大的风险。近年来，利用钢渣作为生态友好建筑材料的研究取得了前所未有的进展，特别是发现机械粉磨有利于改善劣质性能。
王强[99]对转炉钢渣的胶凝性质及其在水泥基复合凝胶材料水化硬化中的作用表明，钢渣的水化过程与水泥十分相似，但钢渣的水化速度要比水泥慢得多。钢渣细度和水化反应时的碱性环境、温度都会影响钢渣的早期活性。
赵计辉[100]研究发现，钢渣粉磨时间越久，比表面积先增大后趋于稳定，筛余量先降低后升高、堆积密度逐渐减小等特征，这表明机械粉磨对钢渣的性能影响较大。
采用物理激发的方式可以使钢渣颗粒逐渐细化，并且在粉体颗粒的表面出现无定型物质，随着粉磨时间增加，无定型物质增多，能够显著改善钢渣的胶凝性能[101]。通过对钢渣的粉磨，可以使其活性增加，将其作为矿物掺合料回收再利用并成为绿色建筑材料，从而解决钢渣大量堆积对环境造成污染的问题。
第 3 章 钢渣的基本特性及活化研究 ......................... 27
3.1 钢渣的基本特性研究 ........................... 27
3.1.1 钢渣的产生 .................................... 27
3.1.2 钢渣的化学成分分析 .............................. 27
第 4 章 预拌固化剂制备与水化机理的研究 ................................ 45
4.1 预拌固化剂材料最佳配比的研究 ............................... 45
4.1.1 正交试验 ............................... 45
4.1.2 因素水平的确定 ............................... 45
第 5 章 基坑回填料的制备与性能研究 .............................. 57
5.1 固化剂掺量对基坑回填料性能的影响 ........................ 57
5.1.1 固化剂掺量对基坑回填料力学性能的影响 ................. 57
5.1.2 固化剂掺量对基坑回填料工作性能的影响 ........................ 59
第 5 章 基坑回填料的制备与性能研究
5.1 固化剂掺量对基坑回填料性能的影响
5.1.1 固化剂掺量对基坑回填料力学性能的影响
采用第四章中优化后的固化剂配合比，进行回填料的配合比试验，基坑回填料组成及配合比见表 5-1，回填料的力学性能测试指标见表 5-2。
随着固化剂掺量的增加以及粘土掺量相对减少，基坑回填料的抗压强度逐渐升高。如图 5-1 所示，在同一养护龄期内，固化剂掺量越多，抗压强度越高。养护3d 时，10%~40%掺量的固化剂制备基坑回填料抗压强度上升幅度并不明显。50%固化剂掺量制备基坑回填料的抗压强度达到最大，但与 10%掺量固化剂相比较，抗压强度仅提高 0.6MPa。这是由于钢渣—矿渣—脱硫石膏体系组成地固化剂经过XDR 分析可以看出熟料矿物中 C2S 含量较多。熟料矿物水化时会产生具有凝胶功能的物质，经过相关书籍可以查阅
